馬洪亮

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220 kV牽引變壓器電場(chǎng)仿真及主絕緣結(jié)構(gòu)分析

馬洪亮

概述了220 kV AT牽引變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)方案，并利用電磁仿真軟件進(jìn)行了電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算，定位了主絕緣結(jié)構(gòu)中的高場(chǎng)強(qiáng)位置，并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。

絕緣；場(chǎng)強(qiáng)；繞組；電場(chǎng)

0 引言

牽引變壓器是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，其安全可靠性直接影響列車的行車安全。為提高供電系統(tǒng)的可靠性，合理設(shè)計(jì)變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)，保證變壓器的安全可靠運(yùn)行已成為目前行業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展，牽引變壓器的電壓等級(jí)逐步提高，電壓等級(jí)有110、220 kV，部分地區(qū)甚至達(dá)到了330 kV。牽引變壓器的功能是將上述電壓直接降至27.5 kV，向牽引機(jī)車供電。目前高速鐵路和重載鐵路的主流供電方式為AT供電方式，該供電方式不僅能提高供電的可靠性，減小牽引網(wǎng)對(duì)通信線路的干擾，還提高了供電能力，有效延長(zhǎng)了供電距離。

本文主要針對(duì)AT供電方式下的220 kV單相牽引變壓器的主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，重點(diǎn)定位主絕緣結(jié)構(gòu)中的高場(chǎng)強(qiáng)位置，并采取措施降低局部電場(chǎng)強(qiáng)度，確保變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 技術(shù)要求

AT供電方式接線主要有單相接線、Scott接線、伍德橋接線、十字交叉接線和VX接線。而VX接線是將VV接線和單相接線進(jìn)行整合，由2臺(tái)單相牽引變壓器組合而成，每臺(tái)變壓器為三繞組變壓器，二次側(cè)有2個(gè)次邊繞組分別為T繞組和F繞組，2個(gè)繞組中間接地?，F(xiàn)分析某高鐵線路的VX接線變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)方案，該變壓器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 VX接線變壓器技術(shù)參數(shù)表

另外，該變壓器2對(duì)高中壓繞組的阻抗電壓百分比為10.5%，其基準(zhǔn)容量采用中壓繞組的容量。

為使變電所出口能取消自耦變壓器，它應(yīng)滿足：

21=31（1）

（321+31-23-1）/4≤0.45W（2）

式中，21為變壓器二次側(cè)（TN繞組）在一次側(cè)短路、三次側(cè)（FN繞組）開(kāi)路時(shí)測(cè)得的阻抗值；31為變壓器三次側(cè)（FN繞組）在一次側(cè)短路、二次側(cè)（TN繞組）開(kāi)路時(shí)測(cè)得的阻抗值；23-1為變壓器二次側(cè)和三次側(cè)串聯(lián)回路兩端在一次側(cè)短路時(shí)測(cè)得的阻抗值。

2 技術(shù)方案

該變壓器鐵心采用單相雙柱結(jié)構(gòu)，每個(gè)柱上各自有3個(gè)繞組，從第1柱向外3個(gè)繞組分別為繞組T1、F1、H1，從第2柱向外3個(gè)繞組分別為F2、T2、H2。為使該單相三繞組變壓器在變電所出口能取消自耦變壓器，且滿足式（1）和式（2）的要求，在結(jié)構(gòu)上T1與T2串聯(lián)作為供電側(cè)輸出端，F(xiàn)1和F2串聯(lián)作為饋電側(cè)輸出端，H1、H2繞組并聯(lián)作為單相變壓器輸入端。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 單相三繞組變壓器結(jié)構(gòu)原理圖

3 電場(chǎng)分布

絕緣系統(tǒng)是變壓器的重要組成部分，是考核變壓器可靠運(yùn)行的重要指標(biāo)，因此設(shè)計(jì)合理的變壓器主絕緣結(jié)構(gòu)成為目前變壓器設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。變壓器油是整個(gè)絕緣系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，目前主流的設(shè)計(jì)思路是利用變壓器油的體積效應(yīng)，采用油-隔板絕緣結(jié)構(gòu)將變壓器油分割成若干個(gè)油隙，以提高變壓器的耐電強(qiáng)度。然而在電力線分布較為密集的端部，油隙的耐電強(qiáng)度是整個(gè)絕緣系統(tǒng)中強(qiáng)度最大的，它將決定整個(gè)絕緣的耐電強(qiáng)度。若端部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)變壓器油的起始放電強(qiáng)度，變壓器端部絕緣將會(huì)發(fā)生表面滑閃放電，在設(shè)計(jì)中雖然通過(guò)加大爬電距離能夠提高沿面放電電壓，但是當(dāng)距離增大到一定程度后將會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)，因此解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于定位變壓器端部的最大場(chǎng)強(qiáng)位置，特別是電場(chǎng)集中處的電場(chǎng)強(qiáng)度，使其低于油的局部放電場(chǎng)強(qiáng)[1]。

cp為均勻電場(chǎng)作用下局部放電電場(chǎng)強(qiáng)度的許用值[2]，且：

cp=·-0.37, MV/m

式中，為與變壓器油含氣量、油隙位置有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于工頻50 Hz、1 min的耐壓試驗(yàn)，在脫氣油、紙板間取= 21.5，對(duì)于可能沿油紙交界的切線方向產(chǎn)生的沿面爬電，油紙交界的爬電場(chǎng)強(qiáng)許用值取= 15；為油隙沿電力線方向的長(zhǎng)度，mm。

該變壓器采用端部進(jìn)線結(jié)構(gòu)，忽略引線的影響，由于特殊的運(yùn)行方式和對(duì)稱性結(jié)構(gòu)，主絕緣結(jié)構(gòu)的計(jì)算分為低壓繞組對(duì)鐵心中下部電場(chǎng)分布和高壓繞組對(duì)低壓繞組中下部電場(chǎng)分布2個(gè)模型，通過(guò)電磁仿真計(jì)算，可以得出2對(duì)模型的電場(chǎng)云圖。

（1）低壓繞組—鐵心中下部等電位場(chǎng)如圖2所示；圖2中沿至、至場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線如圖3、圖4所示。

圖2 低壓繞組—鐵心的等電位場(chǎng)局部圖

圖3 沿A至B場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

圖4 沿C至D場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

（2）高壓繞組—低壓繞組中下部等電位場(chǎng)如圖5所示；電場(chǎng)強(qiáng)度局部分布如圖6所示；圖5中沿至、至、至、至場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線分別如圖7—圖10所示。

圖5 高壓繞組—低壓繞組的等電位場(chǎng)局部圖

圖6 高壓繞組到—低壓繞組的電場(chǎng)強(qiáng)度局部分布圖

圖7 沿A至B場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

圖8 沿C至D場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

圖9 沿E至F場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

圖10 沿G至H場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

通過(guò)對(duì)圖2和圖5的研究，發(fā)現(xiàn)高壓繞組和低壓繞組的內(nèi)表面電力線相對(duì)集中，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在端部?jī)?nèi)表面處，圖2中點(diǎn)附近低壓繞組對(duì)鐵心的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為7.7 MV/m，電場(chǎng)強(qiáng)度許用值cp= 9.96 MV/m，絕緣裕度為1.3，其他部位電場(chǎng)分布均勻，符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)圖5可知，高低壓線圈中部場(chǎng)強(qiáng)為5 MV/m，絕緣裕度為2，高壓下端部最大電場(chǎng)強(qiáng)度為4 MV/m，絕緣裕度為2.4，均符合設(shè)計(jì)要求。由圖8可知，點(diǎn)的最大場(chǎng)強(qiáng)為 17.5 MV/m，點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為11.5 MV/m，均已超過(guò)了電場(chǎng)強(qiáng)度許用值。

為降低端部最大電場(chǎng)強(qiáng)度，一般可采取2種方式：第一種方式是改變靜電環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸，第二種是增大線圈間絕緣距離。

由圖6可看出，靜電環(huán)的最大場(chǎng)強(qiáng)與線圈中部的平均場(chǎng)強(qiáng)比較接近，該靜電環(huán)的結(jié)構(gòu)相對(duì)合理，只進(jìn)行結(jié)構(gòu)的改變并不能取得良好的效果。而增大線圈間絕緣距離雖能有效降低最大場(chǎng)強(qiáng)，但卻加大了產(chǎn)品制造成本，采取端部部分線段增加內(nèi)墊條成為了解決這一問(wèn)題的主要手段。

本臺(tái)變壓器高壓繞組每個(gè)端部采用8段線餅增加內(nèi)墊條，其中1—4段內(nèi)墊5 mm和5—8段內(nèi)墊條2 mm。經(jīng)電磁仿真計(jì)算，得到圖11高壓繞組端部墊條到低壓繞組的等電位場(chǎng)局部圖、圖12高壓繞組端部墊條到低壓繞組的電場(chǎng)強(qiáng)度局部分布圖、圖13沿至場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖、圖14沿至場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖。

由圖11與圖5比較可知，高壓繞組端部到低壓繞組電力線分布得到了較大改善。圖12所示線圈端部場(chǎng)強(qiáng)得到了較大的降低，最大電場(chǎng)強(qiáng)度為8.15 MV/m，出現(xiàn)在靜電環(huán)內(nèi)表面的油隙處，絕緣裕度為1.2，沿至場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度值、沿至場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度值均滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖11 高壓繞組端部墊條到低壓繞組的等電位場(chǎng)局部圖

圖12 高壓繞組端部墊條到低壓繞組的電場(chǎng)強(qiáng)度局部分布圖

圖13 沿A至B場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

圖14 沿C至D場(chǎng)線電場(chǎng)強(qiáng)度曲線圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

本技術(shù)方案應(yīng)用于40 MV·A單相牽引變壓器，經(jīng)外施耐壓滿足高壓1 min工頻395 kV、低壓1 min工頻85 kV的技術(shù)要求。長(zhǎng)時(shí)感應(yīng)耐壓試驗(yàn)在1.1m（272.2 kV）持續(xù)5 min，局部放電量為50 pC，小于100 pC；1.3m（327.6 kV）持續(xù)30 min，局部放電量為70 pC，小于200 pC，滿足JB/T 12260 AT供電方式單相牽引變壓器技術(shù)要求。目前該設(shè)備在某高速鐵路上運(yùn)行，效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)電磁仿真計(jì)算，有效地定位了變壓器絕緣中的高場(chǎng)強(qiáng)位置，并科學(xué)有效地對(duì)變壓器的絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了思路，為超高壓變壓器的研究奠定了基礎(chǔ)。

[1] 路長(zhǎng)柏. 電力變壓器絕緣技術(shù)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

[2] 上官遠(yuǎn)定. 330 kV超高壓有載調(diào)壓整流變壓器及主絕緣結(jié)構(gòu)分析[J]. 變壓器，2006，43（1）：16-21.

The paper introduces briefly the scheme for main insulation structure of 220 kV AT transformer, the optimized structure is compared and analyzed after calculation of field strength made by means of electromagnetic simulation software and emplacing of high field strength inside the main insulation structure.

Insulation; field strength; winding; electric field

U224.2+2

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1007-936X(2017)02-0014-04

馬洪亮.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，工程師，電話：13483205823。

2016-08-05